(57)【要約】  【課題】  画素の角度変調によって画像を表示する反射型の表示素子を備える画像投影装置であって、フィールドレンズやＴＩＲプリズムを用いることなく照明光と投影光とを良好に分離し得るものを提供する。  【解決手段】  表示素子(30)の画素の偏向軸を表示素子(30)の表示領域の短辺に平行にし、投影光学系(40)の入射瞳を、表示領域の中心における法線上から表示領域の短辺に平行な方向に変位させる。さらに、表示領域の下端から投影光学系(40)の入射瞳に達する投影光のうち最も下の光線と、照明光学系(20)から表示領域の上端に達する照明光のうち最も上の光線との交点に基づいて、表示素子(30)から表示素子(30)に最も近い光学部品までの距離を定める。【選択図】      図２
2006047552.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素の角度変調によって画像を表示し、画素の偏向軸が矩形の表示領域の短辺に平行な反射型の表示素子と、表示素子を照明する照明光を供給する光源と、光源からの照明光を表示素子に導く照明光学系と、表示素子からの画像を表す光を投影する投影光学系を備える画像投影装置において、
投影光学系の入射瞳が、表示素子の表示領域の中心における法線上から表示領域の短辺に平行な方向に変位した位置にあり、
表示素子の表示領域の法線の方向を基準方向、
表示素子の表示領域から光路上表示素子の表示領域に最も近い光学部品までの基準方向の距離をＬ、
表示素子の表示領域の中心から投影光学系の入射瞳の中心に向かう方向と基準方向との成す角をα、
表示素子の表示領域の短辺の長さをｄ、
表示素子の表示領域から投影光学系の入射瞳までの基準方向の距離をＨ、
表示素子の表示領域の短辺に平行な方向における照明光学系と投影光学系の開口数の逆正弦をθ
と定めるとき、
【数１】
2006047552.tif 000021
かつ
sinθ＞０．１３
を満足することを特徴とする画像投影装置。
【請求項２】
照明光学系が、表示素子の表示領域を含み表示素子の表示領域に略相似な領域を照明するインテグレータ光学系を含むことを特徴とする請求項１に記載の画像投影装置。
【請求項３】
照明光学系の射出側と投影光学系の入射側が共にテレセントリックな光学系であることを特徴とする請求項１または２に記載の画像投影装置。
【請求項４】
２・Ｌ・tan（α−θ）＞ｄ
を満足することを特徴とする請求項３に記載の画像投影装置。
【請求項５】
表示素子の表示領域の中心から照明光学系の射出瞳の中心に向かう方向と基準方向との成す角をβと定めるとき、
１０゜≦α≦２０゜
２５゜≦β≦３２゜
かつ
sinθ≦０．２
を満足することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の画像投影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像を表示して投影する画像投影装置に関し、特に、画素の角度変調によって画像を表示する反射型表示素子を用いた画像投影装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
画素の角度変調によって画像を表示する反射型の表示素子が、画像投影装置で多用されている。このような画像投影装置では、表示素子に照明光を導く照明光学系と、表示素子からの画像を表す光を投影する投影光学系が備えられるが、投影光学系によって照明光が遮られたり、照明光学系によって画像を表す光（以下、投影光という）が遮られたりするのを防止するために、照明光と投影光とが分離している光路上に照明光学系や投影光学系を配置する必要がある。また、装置全体の小型化を図るために、照明光と投影光を狭い空間内で分離することが望ましい。
【０００３】
画素の偏向軸が矩形の表示領域の短辺に平行な表示素子を用いる画像投影装置では、表示素子近傍にフィールドレンズを備えて、フィールドレンズで光束を収束させることによって投影光と照明光の分離を促進することが提案されている（例えば、特開平８−２５４６６２号）。
【特許文献１】特開平８−２５４６６２号公報
【０００４】
また、画素の偏向軸が表示領域の短辺と４５゜の角度を成す表示素子を用いる画像投影装置では、エアギャップを有するＴＩＲプリズムを表示素子の直前に配置して、照明光と投影光の一方を選択的に全反射することによって照明光と投影光を分離することが行われている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、フィールドレンズを備える装置は、フィールドレンズの界面で反射が生じ易く、これがゴーストの発生やコントラストの低下の原因となって、十分な画像品質が得られていない。画素の偏向軸が表示領域の短辺と４５゜の角度を成す反射型表示素子とＴＩＲプリズムとを備えた装置は既に実用化されているが、ＴＩＲプリズムが高価であるため高コストとなり、また、ＴＩＲプリズムのエアギャップ面での光量損失が大きいため、十分な明るさの画像を提供するためには高出力の光源が必要となる。
【０００６】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、フィールドレンズやＴＩＲプリズムを用いることなく照明光と投影光とを良好に分離し得る画像投影装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明では、反射型の表示素子と、表示素子を照明する照明光を供給する光源と、光源からの照明光を表示素子に導く照明光学系と、表示素子からの画像を表す光を投影する投影光学系を備える画像投影装置において、投影光学系の入射瞳が、表示素子の表示領域の中心における法線上から表示領域の短辺に平行な方向に変位した位置にあり、次の式１および式２を満足する構成とする。
【数２】
2006047552.tif 000003
sinθ＞０．１３  ・・・式２
ただし、表示素子の表示領域の法線の方向を基準方向、表示素子の表示領域から光路上表示素子の表示領域に最も近い光学部品までの基準方向の距離をＬ、表示素子の表示領域の中心から投影光学系の入射瞳の中心に向かう方向と基準方向との成す角をα、表示素子の表示領域の短辺の長さをｄ、表示素子の表示領域から投影光学系の入射瞳までの基準方向の距離をＨ、表示素子の表示領域の短辺に平行な方向における照明光学系と投影光学系の開口数の逆正弦をθと定める。
【０００８】
この画像投影装置では、投影光学系の入射瞳を表示領域の短辺に平行な方向（長辺に垂直な方向）に変位させたことにより、照明光に対する投影光の偏向の度合いを大きくすることが可能であり、これにより照明光と投影光の分離が促進される。式１は、照明光と投影光が分離する条件を表しており、この条件が満たされるため、照明光と投影光は確実に分離される。また、式２を満たすことにより、照明光学系から表示素子に向かう照明光と表示素子から投影光学系に向かう投影光の開口数が大きく、両光学系間で十分な伝達効率が確保される。
【０００９】
ここで、照明光学系が、表示素子の表示領域を含み表示素子の表示領域に略相似な領域を照明するインテグレータ光学系を含むようにするとよい。この構成では、表示素子上の照度分布が均一になって、一様な明るさの画像を提供することが可能であり、また、照明光の損失も抑えられる。
【００１０】
また、照明光学系の射出側と投影光学系の入射側が共にテレセントリックな光学系である設定とすることができる。照明光を表示素子に対して斜めに導くと表示素子上の照度分布に差が生じ易いが、テレセントリックな光学系とすることで、照度分布の差が抑えられる。
【００１１】
その場合、式３を満たすようにするとよい。
２・Ｌ・tan（α−θ）＞ｄ  ・・・式３
式３は、テレセントリックな光学系における照明光と投影光の分離条件を表しており、この条件を満たすことにより、分離が確実になる。
【００１２】
また、表示素子の表示領域の中心から照明光学系の射出瞳の中心に向かう方向と基準方向との成す角をβと定めるとき、
１０゜≦α≦２０゜  ・・・式４
２５゜≦β≦３２゜  ・・・式５
かつ
sinθ≦０．２  ・・・式６
を満足するようにするとよい。式４と式５を満たすことで、照明光と投影光の確実な分離を容易に行うことが可能になる。また、式５を満たすことで、表示素子の均一な照明も容易になる。さらに、式６を満たすことで、十分な結像性能が確保される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の画像投影装置では、投影光学系の入射瞳が表示領域の短辺に平行な方向に変位しているので、照明光に対する投影光の偏向の度合いを大きくすることが可能であり、これにより照明光と投影光の分離が促進される。また、式１を満たすことで、照明光と投影光が確実に分離され、分離のためにフィールドレンズやＴＩＲプリズムを用いる必要がなくなる。その結果、フィールドレンズやＴＩＲプリズムに起因する前述の不都合が生じない。さらに、式２を満たすことで、照明光学系と投影光学系の伝達効率も十分に確保される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。本実施形態の画像投影装置１の光学構成の全体を図１に示し、その要部を図２に示す。この画像投影装置１は、光源１０、照明光学系２０、反射型の表示素子３０、投影光学系４０、およびスクリーン５０を有する。
【００１５】
光源１０は、白色光を発するランプ１１と回転楕円面のリフレクタ１２より成り、表示素子３０を照明するための照明光を提供する。ランプ１１はリフレクタ１２の第１焦点上に配置されており、ランプ１１が発した光はリフレクタ１２で反射されて第２焦点に集光する。
【００１６】
照明光学系２０は、カラーホイール２１、インテグレータロッド２２、およびリレー光学系２３より成る。カラーホイール２１は、赤色（Ｒ）光、緑色（Ｇ）光、青色（Ｂ）光をそれぞれ選択的に透過させるフィルターを有しており、回転によりいずれかのフィルターが光源１０からの照明光の光路上に位置して、照明光をＲ光、Ｇ光、またはＢ光とする。表示素子３０は、１つの画像をＲ成分、Ｇ成分、Ｂ成分に分けて、カラーホイール２１の回転の同期して表示し、画像投影装置１では、時分割表示でカラー画像を提供する。
【００１７】
インテグレータロッド２２は、表示素子３０の表示領域（像を表示する範囲）に相似の矩形の断面を有する四角柱状の透明部材であり、一方の端面の中心がリフレクタ１２の第２焦点上に位置し、側面がリフレクタ１２の第１焦点と第２焦点を結ぶ直線に平行になるように、配置されている。カラーホイール２１を透過した光源１０からの照明光は、入射端面を透過してインテグレータロッド２２の内部に入り、側面で全反射されて出射端面に達する。インテグレータロッド２２の入射端面に対する照明光の入射角は様々であり、出射端面上のあらゆる部位には、入射端面に対する入射角に応じた回数だけ側面で全反射された様々な光線が到達して、出射端面上の照明光の強度分布は均一になる。
【００１８】
なお、インテグレータロッド２２に代えて、レンズアレイから成るインテグレータを採用することもできる。その場合、リフレクタ１２として回転放物面のものを用いて、光源１０からの照明光を平行光としておく。
【００１９】
リレー光学系２３は、３つのレンズより成り、インテグレータロッド２２からの照明光を表示素子３０に導く。リレー光学系２３は、インテグレータロッド２２の出射端面と表示素子３０の表示領域の中心を含む平面とを光学的に共役にし、その平面上にインテグレータロッド２２の出射端面の像を形成する。表示素子３０の表示面はリレー光学系２３からの照明光の主光線と直交しないが、表示面を含む平面上の照明範囲は矩形である表示領域と略相似な形状となり、表示領域は均一に照明される。リレー光学系２３は照明範囲が表示素子３０の表示領域よりも僅かに大きくなるように設定されており、表示領域から外れる照明光は少なく、したがって、照明効率が高い。
【００２０】
反射型の表示素子３０は、２次元に配列された多数の画素を有し、画素の角度変調によって画像を表示し、照明光を反射して表示した画像を表す光（投影光）とする。
【００２１】
投影光学系４０は、球面、回転対称非球面あるいは自由曲面の４つのミラー４１、４３、４４、４５と１つのレンズ４２より成り、表示素子３０からの投影光をスクリーン５０に導いて、投影光が表す画像の拡大像をスクリーン５０上に形成する。スクリーン５０は透過型であり、画像の観察者とは逆側から投影光を受ける。投影光の主光線（表示素子３０の表示領域の中央の画素からの中央の光線）のスクリーン５０に対する入射角は７０゜程度と大きく、画像投影装置１は、提供する画像の大きさの割に前後方向に薄い構成となっている。
【００２２】
反射型の表示素子３０は、２次元に配列された多数の向き可変の微小な画素を有し、各画素で画像の一点を表す。各画素は、表示素子３０全体としての表示面に平行な偏向軸を中心に、正逆両方向に向きを変える（偏向する）。画素の偏向角χは例えば±１２゜である。１つの画素３１による照明光の反射の様子を図３に示す。表示素子３０に対する照明光の入射角は一定であるが、画素３１の向きによって、進行方向が異なる２つの反射光が生じる。反射光の一方が画像を表す光（投影光）となり、他方は不要な光となる。不要な光は投影光学系４０に入射することなく棄てられる。画像投影装置１では、照明光との角度差の小さい方の反射光を投影光とする。
【００２３】
表示素子３０は、１０．５ｍｍ×１８．６ｍｍの大きさの矩形の表示領域を有する。また、表示素子３０の各画素３１は、一辺が０．０１４ｍｍの正方形であり、対角方向の偏向軸を有する。全ての画素３１は、偏向軸が表示素子３０の表示領域の短辺と平行になるように配置されている。表示素子３０の表示領域３０ａと一部の画素３１を図４に示す。図４において、３２が画素３１の偏向軸である。以下、図４に示すように、表示領域３０の中心を通り表示領域３０の長辺に平行な軸をｘ軸、表示領域３０の中心を通り表示領域３０の短辺に平行な軸をｙ軸と定める。ｘ軸、ｙ軸の正の方向は図示した通りである。また、表示領域３０ａの中心を通りｘ軸とｙ軸に垂直な軸をｚ軸と定める。ｚ軸の正の方向は図４の紙面の手前側である。
【００２４】
なお、ここでは、表示領域３０ａに全ての画素３１が含まれる表示素子３０の例を掲げているが、表示領域３０ａと画素３１の関係が異なる他の表示素子を用いてもよい。例えば、図５に示すように、画素３１の配列の縁が各画素３１の辺に平行な表示素子３０を用い、そのうちの一部を表示領域３０ａとして利用することができる。また、図６に示すように、全ての画素３１が表示領域３０ａに含まれ、表示領域３０ａの縁が画素３１の辺に平行で、偏向軸３２が画素３１の辺に平行な表示素子３０を用いることもできる。要は、表示領域３０ａの短辺に対して各画素３１の偏向軸３２が平行であればよい。
【００２５】
投影光学系４０は、入射側（表示素子３０側）でテレセントリックな光学系とされており、したがって、その入射瞳は無限遠に位置する。ただし、投影光学系４０の入射瞳は、表示素子３０の表示領域３０ａに平行であるものの、その中心が表示領域３０ａの中心における法線上から表示領域３０ａの短辺に平行な方向に変位している。具体的には、投影光学系４０の入射瞳の中心は、ｘ＝０の平面上、かつｙ＞０、ｚ＞０の範囲に存在する。表示領域３０ａの中心と投影光学系４０の入射瞳の中心とを結ぶ直線と、表示領域３０ａの中心における法線との成す角は、１４゜である。
【００２６】
なお、ここでは、表示面の法線に対する投影光学系４０の入射瞳の方向の傾斜角を１４゜としているが、他の値としてもよい。ただし、この傾斜角が小さすぎると照明光と投影光の分離が困難になり、大きすぎると結像性能が低下するので、投影光学系４０の入射瞳の方向の傾斜角は１０゜〜２０゜とするのがよい。
【００２７】
照明光学系２０は、表示素子３０からの投影光が投影光学系４０の入射瞳を通るように、ｘ＞０、ｙ＜０、ｚ＞０の範囲に配置されている。したがって、照明光学系２０は、斜め方向から表示素子３０を照明し、照明光学系２０の射出瞳の中心と表示素子３０の表示領域３０ａの中心を結ぶ直線は、表示領域３０ａの長辺に対しても短辺に対しても傾斜している。具体的には、表示素子３０の表示領域３０ａの中心と照明光学系２０の射出瞳の中心を結ぶ直線は、表示素子３０の表示面の法線に対して約２８゜の角度を成し、その表示面への射影は表示領域の長辺に対して約３２゜の角度を成す。
【００２８】
なお、ここでは、表示面の法線に対する照明光学系２０の射出瞳の方向の傾斜角を２８゜としているが、他の値としてもよい。ただし、この傾斜角が小さすぎると投影光と照明光の分離が困難になり、大きすぎると照度の均一度が低下するので、照明光学系２０の射出瞳の方向の傾斜角は２５゜〜３０゜とするのがよい。
【００２９】
照明光学系２０は、投影光学系４０に合わせて、射出側（表示素子３０側）でテレセントリックな光学系とされている。斜め照明では、このようにテレセントリックとするのが、照度分布差を小さくする上で有用である。ただし、照明光学系２０は、必ずしも完全にテレセントリックな光学系である必要はなく、表示領域３０ａの中心に導く照明光の主光線と、表示領域３０ａの周辺部に導く照明光の主光線との角度差が±５゜程度以内であれば、十分許容できる。
【００３０】
投影光学系４０および照明光学系２０の開口数（ＮＡ）は０．１４であり、これはＦ３．５に相当する。また、表示素子３０の表示領域３０ａから、表示領域３０ａに最も近い光学部品である投影光学系４０のミラー４１までの距離（表示素子３０の表示面の法線方向についての距離）は、７５ｍｍである。したがって、大きな開口数を確保しながら、投影光と照明光が十分に分離できている。
【００３１】
開口数を他の値とすることもできる。ただし、開口数が小さすぎると照明光学系２０から投影光学系４０への伝達効率が低下し、大きすぎると投影光学系４０の結像性能が低下するので、照明光学系２０と投影光学系４０の開口数は０．１３〜０．２とするが好ましい。
【００３２】
画像投影装置１のように、画素３１の偏向軸３２が矩形の表示領域３０ａの短辺に平行な反射型の表示素子３０を備え、画素３１の角度変調によって画像を表示する構成では、次の式７を満たすことで、照明光と投影光が分離している光路上に照明光学系２０と投影光学系４０を確実に配置することが可能になる。
【００３３】
【数３】
2006047552.tif 000004
【００３４】
さらに、式２を満たすことで、照明光学系２０と投影光学系４０の間の良好な伝達効率も確保される。
sinθ＞０．１３  ・・・式２（再掲）
【００３５】
ここで、各パラメータを次のように定める。
Ｌ：表示素子の表示領域から光路上表示素子の表示領域に最も近い光学部品までの、表示領域の法線方向の距離、
α：表示素子の表示領域の中心から投影光学系の入射瞳の中心に向かう方向と表示領域の法線方向との成す角、
ｄ：表示素子の表示領域の短辺の長さ、
Ｈ：表示素子の表示領域から投影光学系の入射瞳までの、表示領域の法線方向の距離、
θ：表示素子の表示領域の短辺に平行な方向における照明光学系と投影光学系の開口数の逆正弦、
χ：表示素子の表示面に対する画素の偏向角。
【００３６】
式７は、表示素子３０の表示領域３０ａの長辺方向（ｘ軸方向）から見たときに、表示領域３０ａの下端から投影光学系４０の入射瞳に達する投影光のうち最も下の光線と、照明光学系２０から表示領域３０ａの上端に達する照明光のうち最も上の光線との交点よりも、光学部品が表示領域３０ａから遠くに位置することを表している。なお、表示領域３０ａの短辺方向（ｙ軸方向）を上下方向といい、ｙ軸の正側を上、負側を下という。
【００３７】
式７の導出について説明する。なお、以下の説明ではベクトルが現れるが、明細書ではベクトル名の上に矢印を付した通常の表記でベクトルを表すことができないので、ベクトル名の前に「ｖ」を付してベクトルを表すことにする。例えば、ｖＤonはベクトルである。
【００３８】
＜投影光の最も下の光線＞
図７に投影光の一部の光線を示す。図７は表示領域３０ａの長辺方向（ｘ軸方向）から見たものである。光線ＬＬが、表示領域３０ａの下端から投影光学系４０の入射瞳４０ａに達する投影光のうち最も下の光線である。
【００３９】
表示領域３０ａの下端から投影光学系４０の入射瞳４０ａの中心に達する光線と表示面の法線の成す角をＡとすると、図７（ａ）の関係より、式８が成り立ち、これを変形すれば式９、式１０となる。さらに、図７（ｂ）の関係より、式１１となる。
Ｈ・tanＡ−ｄ／２＝Ｈ・tanα  ・・・式８
tanＡ＝tanα＋ｄ／（２・Ｈ）  ・・・式９
Ａ＝tan-1［tanα＋ｄ／（２・Ｈ）］  ・・・式１０
Ａ−θ＝tan-1［tanα＋ｄ／（２・Ｈ）］−θ  ・・・式１１
【００４０】
＜照明光の最も上の光線＞
図８に照明光と投影光の一部の光線を示す。図８は表示領域３０ａの長辺方向（ｘ軸方向）から見たものである。光線ＬＨが、照明光学系２０から表示領域３０ａの上端に達する照明光のうち最も上の光線である。この光線ＬＨは、投影光学系４０の入射瞳４０ａに達する投影光のうちの最も下の光線ＬＨ'となる。
【００４１】
表示領域３０ａの上端から投影光学系４０の入射瞳４０ａの中心に達する光線と表示面の法線の成す角をＢとすると、図８の関係より、式１２が成り立ち、さらに式１３が成り立つ。
Ｂ＝tan-1［tanα−ｄ／（２・Ｈ）］  ・・・式１２
Ｂ−θ＝tan-1［tanα−ｄ／（２・Ｈ）］−θ  ・・・式１３
【００４２】
よって、光線ＬＨ'のベクトルｖＰｈは式１４で表される。
【数４】
2006047552.tif 000005
【００４３】
また、投影光を生成するときの表示素子３０の画素３１の法線のベクトルｖＤonは、式１５で表される。
【数５】
2006047552.tif 000006
【００４４】
さらに、照明光の最も上の光線ＬＨのベクトルｖＩｈと投影光の最も下の光線ＬＨ'のベクトルｖＰｈと画素３１の法線のベクトルｖＤonには、図９に示す関係がある。ここで、γは照明光の光線と投影光の光線の成す角である。図９の関係より、式１６が成り立ち、また、式１７が成り立つ。
cos（γ／２）＝ｖＰｈ・ｖＤon／（｜ｖＰｈ｜・｜ｖＤon｜）
＝cosχ・cos｛tan-1［tanα−ｄ／（２・Ｈ）］−θ｝  ・・・式１６
ｖＩｈ＋cos（γ／２）・ｖＤon＝−cos（γ／２）・ｖＤon＋ｖＰｈ  ・・・式１７
【００４５】
式１７を変形して式１８が得られ、これと式１４、式１４、式１６より、式１９が成り立つ。
ｖＩｈ＝ｖＰｈ−２・cos（γ／２）・ｖＤon  ・・・式１８
【数６】
2006047552.tif 000007
【００４６】
図１０に示すように、照明光の光線ＬＨのベクトルｖＩｈをｘ、ｙ、ｚの各軸方向の成分ｖＩｈｘ、ｖＩｈｙ、ｖＩｈｚに分解して表すと、光線ＬＨと表示素子３０の表示面の法線が成す角Ｃは、式２０で表される。
【数７】
2006047552.tif 000008
【００４７】
図１１に、表示領域３０ａの下端から投影光学系４０の入射瞳に達する投影光のうち最も下の光線ＬＬと、照明光学系２０から表示領域３０ａの上端に達する照明光のうち最も上の光線ＬＨを示す。図１１は、表示素子３０の表示領域３０ａの長辺方向（ｘ軸方向）から見たものである。表示素子３０の表示面から光線ＬＬと光線ＬＨとの交点までの距離をＺとすると、式２１が成り立ち、これを変形して式２２が得られる。
Ｚ・tanＣ＋Ｚ・tan（Ａ−θ）＝ｄ  ・・・式２１
Ｚ＝ｄ／［tanＣ＋tan（Ａ−θ）］  ・・・式２２
【００４８】
表示素子３０の表示面からの距離がＺを超える範囲（図１１に斜線で示す）で、照明光と投影光は分離する。したがって、式２３が成り立つようにすれば、光学部品を照明光と投影光が分離した光路上に確実に配置することができる。
Ｌ＞Ｚ  ・・・式２３
【００４９】
式２３と式２２より式２４が得られ、これに式１１および式２０を代入して、前述の式７が得られる。
Ｌ・［tan（Ａ−θ）＋tanＣ］＞ｄ  ・・・式２４
【００５０】
式７におけるｄ／（２・Ｈ）という項は、テレセントリック度合いを表す。完全にテレセントリックな光学系では、この項は０になり、したがって、式７は式２５となる。式２６を整理すると式２６が得られる。
【数８】
2006047552.tif 000009
【数９】
2006047552.tif 000010
【００５１】
テレセントリック度合いが±５゜以内であれば、実際の光学系を構成するときに、式７に代えて式２６を用いても特に問題はない。さらに、偏向角χが１０゜程度以下であれば、tan2χは１に比べて十分に小さく、式２６は式３となり、式３を用いても問題ない。
２・Ｌ・tan（α−θ）＞ｄ  ・・・式３（再掲）
【００５２】
また、画素３１の偏向角χが１０゜程度以下であれば、sin2χ−cos2χ≒−１と近似
することが可能であり、このとき、式７は式１となる。実際のレイアウト時のクリアランス等を考慮すると、式１に基づく設計で十分である。
【数１０】
2006047552.tif 000011
【００５３】
フィールドレンズやＴＩＲプリズムを用いず、投影光学系の入射瞳の方向を傾ける（入射瞳を変位させる）場合、照明光学系が表示素子に対してより斜めになる。そのため、図１２に示すように、照明される領域ＲＩが平行四辺形状や台形状となって、表示領域の形状とは相違してしまい、照明効率が低下したり、照明の均一度が低下したりする。また、図１３に示すように、インテグレータと表示素子の共役関係が部分的に成り立たなくなって、照明光のピントにぼけが生じ、照明効率や照明の均一度の低下が一層大きくなる。さらに、有効な照明光束径が小さくなって、照明効率を維持するために、照明光学系の開口数を大きくすることになる。
【００５４】
表示素子の画素の偏向軸が表示領域の短辺に対して４５゜を成す一般的な構成よりも、本実施形態の画像投影装置１のように、画素３１の偏向軸３２が表示領域３０ａの短辺に平行な構成とする方が、表示素子３０に対する照明光学系の傾きを少なくすることができて、斜め照明に起因する上記の不都合が軽減される。以下、この点について説明する。
【００５５】
画素の偏向軸が表示領域の短辺に対して４５゜を成す構成では、表示素子の表示領域の中心から投影光学系の入射瞳の中心に向かう方向のベクトル（投影光学系の入射瞳方向ベクトルという）ｖＰは、式２７となる。
【数１１】
2006047552.tif 000012
【００５６】
また、投影光を生成する画素の法線の方向のベクトルｖＤonは、式２８となる。
【数１２】
2006047552.tif 000013
【００５７】
効率のよい光学系とするために、投影光学系の入射瞳と照明光学系の射出瞳は同一光軸上に位置するように設定されるから、表示素子の表示領域の中心から照明光学系の射出瞳の中心に向かう方向のベクトル（照明光学系の射出瞳方向ベクトルという）ｖＩ45゜は、式２９となる。
【数１３】
2006047552.tif 000014
【００５８】
このとき、表示素子の表示面に対する照明光の主光線の入射角β45゜は、式３０となり、また、照明光と投影光の分離角（照明光の主光線と投影光の主光線の成す角）γ45゜は、式３１となる。
【数１４】
2006047552.tif 000015
【数１５】
2006047552.tif 000016
【００５９】
一方、画素の偏向軸が表示領域の短辺に対して平行な構成では、投影光を生成する画素の法線の方向のベクトルｖＤonは、式３２となる。
【数１６】
2006047552.tif 000017
【００６０】
また、効率のよい光学系とするために、投影光学系の入射瞳と照明光学系の射出瞳は同一光軸上に位置するように設定されるから、照明光学系の射出瞳方向ベクトルｖＩ0゜は、式３３となる。
【数１７】
2006047552.tif 000018
【００６１】
このとき、表示素子の表示面に対する照明光の主光線の入射角β0゜は、式３４となり、また、照明光と投影光の分離角γ0゜は、式３５となる。
【数１８】
2006047552.tif 000019
【数１９】
2006047552.tif 000020
【００６２】
図１４に、投影光学系の入射瞳の方向αと照明角βの関係を示す。図１４において、β０は、画素の偏向軸が表示領域の短辺に平行な構成のものであり、β４５は、画素の偏向軸が表示領域の短辺に対して４５゜を成す構成のものである。また、画素の偏向角χはいずれも１２゜である。入射瞳方向αが同じ場合、本実施形態の画像投影装置１のように画素の偏向軸を表示領域の短辺に平行にした方が、照明角βが小さくなり、効率のよい光学系が実現できることがわかる。
【００６３】
また、α＝１４゜のとき、照明光と投影光の分離角は、式３５より、γ0゜≒３７゜と大きな値となる。したがって、開口数を小さくしなくても照明光と投影光を分離することが可能であり、効率のよい光学系を実現することができる。この条件で設定した画像投影装置１における投影光学系の入射瞳の方向と、照明光の方向と、投影光を生成する画素の方向を図１５に示す。なお、図１５における３２゜という値は、照明光の主光線の表示面への射影と表示領域の長辺との成す角である。
【００６４】
図１６に、照明光と投影光の分離角γと、照明角βの関係を示す。図１６において、β０は、画素の偏向軸が表示領域の短辺に平行な構成のものである。また、β４５は、画素の偏向軸が表示領域の短辺に対して４５゜を成し、投影光を生成する画素の法線のベクトルｖＤonが前述の式２８で表される構成のものである。画素の偏向角χはいずれも１２゜である。照明光と投影光の分離角γが同じ場合、画素の偏向軸を表示領域の短辺に平行にした方が、照明角βが小さくなり、効率のよい光学系が実現できることがわかる。
【００６５】
本実施形態の画像投影装置１は、フィールドレンズやＴＩＲプリズムを用いることなく、照明光と投影光を確実に分離することができるため、明るく質の高い画像を提供することが可能であり、コストも抑えられる。したがって、投射型テレビとするのに好適である。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の一実施形態の画像投影装置の光学構成の全体を示す図。
【図２】上記画像投影装置の光学構成の要部を示す図。
【図３】表示素子の１つの画素による照明光の反射の様子を模式的に示す図。
【図４】表示素子の表示領域と一部の画素を示す図。
【図５】上記画像投影装置で採用可能な別の表示素子とその表示領域を示す図。
【図６】上記画像投影装置で採用可能なさらに別の表示素子を示す図。
【図７】投影光の一部の光線を模式的に示す図。
【図８】照明光と投影光の一部の光線を模式的に示す図。
【図９】照明光の最も上の光線のベクトルと投影光の最も下の光線のベクトルと画素の法線のベクトルの関係を示す図。
【図１０】照明光の光線のベクトルを成分ベクトルに分解して示す図。
【図１１】表示素子の表示領域の下端から投影光学系の入射瞳に達する投影光のうち最も下の光線と、照明光学系から表示領域の上端に達する照明光のうち最も上の光線を模式的に示す図。
【図１２】斜め照明により照明領域がひずむ様子を示す図。
【図１３】斜め照明により照明光のピントがぼける様子を示す図。
【図１４】投影光学系の入射瞳の方向と照明角の関係を示す図。
【図１５】上記画像投影装置の一設定例における投影光学系の入射瞳の方向と、照明光の方向と、投影光を生成する画素の方向を示す図。
【図１６】照明光と投影光の分離角と、照明角の関係を示す図。
【符号の説明】
【００６７】
１    画像投影装置
１０    光源
１１    ランプ
１２    リフレクタ
２０    照明光学系
２１    カラーホイール
２２    インテグレータロッド
２３    リレー光学系
３０    反射型表示素子
３０ａ  表示領域
３１    画素
３２    偏向軸
４０    投影光学系
４０ａ  入射瞳
４１、４３、４４、４５  ミラー
４２    レンズ
５０    スクリーン
【図１】
2006047552.tif 000022
【図２】
2006047552.tif 000023
【図３】
2006047552.tif 000024
【図４】
2006047552.tif 000025
【図５】
2006047552.tif 000026
【図６】
2006047552.tif 000027
【図７】
2006047552.tif 000028
【図８】
2006047552.tif 000029
【図９】
2006047552.tif 000030
【図１０】
2006047552.tif 000031
【図１１】
2006047552.tif 000032
【図１２】
2006047552.tif 000033
【図１３】
2006047552.tif 000034
【図１４】
2006047552.tif 000035
【図１５】
2006047552.tif 000036
【図１６】
2006047552.tif 000037